DE963201C - Self-igniting, air-compressing internal combustion engine with antechamber - Google Patents

Description

Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Vorkammer Gegenstand des Hauptpatents ist die Gestaltung der Verbindungsöffnung zwischen Vorkammer und Zylinderraum. einer selbstzündenden, luftverdichtenden Einspritzbrennkraftmaschine, bei der gegen Ende des Verdichtungshubes flüssiger Brennstoff in eine symmetrisch angeordnete, in ihrem dem Zylinderraum zugewandten Teil mit einem Einsatzstück versehene Vorkammer eingespritzt wird und bei der dieses Einsatzstück eine mittlere Öffnung sowie einen äußeren ringförmig um die Mittelöffnung angeordneten Durchtrittsquerschnitt besitzt, wobei der eingespritzte Brennstoffstrahl zur Mittelöffnung hin gerichtet ist und mit seinem größten Durchmesser ungefähr die Wandung der mittleren Öffnung berührt. Die dem Hauptpatent zugrunde liegende Erfindung besteht darin, daB die Mittelöffnung des Einsatzstückes eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als der ringförmige Durchtrittsquerschnitt und daB die Wandung der Mittelöffnung im Querschnitt in ider Weise tropfenförmig ausgebildet ist, daß sie sich in Richtung auf den Zylinderraum hin verjüngt, und daß außerdem die Begrenzungslinie der Außenwand des ringförmigen Durchtrittsquerschnittes etwa nach einer Hyperbel verläuft, die in die Brennraumwand bzw. den Zylinderkopfboden übergeht, so daß der Hauptteil der vom Kolben verdichteten Luft ohne wesentlichen Widerstand über den ringförmigen Durchtrittsquerschnitt in die Vorkammer strömt, während die durch die Mittelöffnung strömende Luft nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit auf den Brennstoffstrahl auftrifft und daher eine Aufspaltung desselben verhindert.Self-igniting, air-compressing internal combustion engine with antechamber The subject of the main patent is the design of the connection opening between the antechamber and cylinder space. a self-igniting, air-compressing internal combustion engine, at the end of the compression stroke liquid fuel in a symmetrical arranged, provided in their part facing the cylinder space with an insert Pre-chamber is injected and in which this insert piece has a central opening and an outer passage cross-section arranged in a ring around the central opening with the injected fuel jet directed towards the central opening is and with its largest diameter approximately the wall of the central opening touched. The invention on which the main patent is based is that the Central opening of the insert has a smaller cross-sectional area than that annular passage cross-section and that the wall of the central opening in cross-section in the same way drop-shaped is designed to move towards tapers towards the cylinder space, and that also the boundary line of the outer wall of the annular passage cross-section runs approximately to a hyperbola, which merges into the combustion chamber wall or the cylinder head base, so that the main part of the air compressed by the piston without significant resistance over the annular Passage cross-section flows into the antechamber, while the through the central opening air flowing onto the fuel jet only at a relatively low speed occurs and therefore prevents the same from splitting.

Gegenstand der Zusatzerfindung ist eine auf weitergehenden Erkenntnissen beruhende Lehre für die Ausbildung sowohl der Mittelbohrung als auch der äußeren Querschnitte, welche eine Sicherstellung der vorteilhaften Wirkung des Gegenstandes des Hauptpatents zum Ziel hat. Es ist Aufgabe der Zusatzerfindung, die Strömungsquerschnitte des Einsatzes .so auszubilden, daß die TSberschubverluste beim Verdichtungshub möglichst gering werden. Als weitere Erfindungsaufgabe ist die Vermeidung von Wirbeln an den äußeren Kammerwänden außerhalb des eigentlichen Einsatzes zu nennen, welche leistungsverzehrend sind und die Geschlossenheit des Brennstoffstrahles beeinträchtigen und damit die Wirkung der Vorkammer verschlechtern.The subject of the additional invention is based on further findings based teaching for the training of both the central bore and the outer one Cross-sections, which ensure the beneficial effect of the object of the main patent. It is the task of the additional invention, the flow cross-sections of the insert. to be trained so that the T over thrust losses during the compression stroke as possible become low. Another object of the invention is to avoid eddies on the to name the outer chamber walls outside of the actual use, which are power-consuming are and affect the cohesion of the fuel jet and thus the Worsen the effect of the antechamber.

Endlich soll durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Mittelöffnung bezweckt werden, daß der Streukegel des Brennstoffstrahles, der einen wesentlich größeren Durchmesser als die Mittelbohrung besitzt, in dieselbe nach. Einsetzen der Zündung hineingezogen wird. Hierdurch wird der Nachteil der bekannten Einsätze vermieden, der darin besteht, .daß :sich am inneren Öffnungsrand verkokte Brennstoffteilchen ansetzen und ein allmähliches Zuwachsen der Mittelöffnung bewirken.Finally, through the design of the central opening according to the invention The aim is that the scattering cone of the fuel jet, the one essential has a larger diameter than the central bore, in the same after. Insert the ignition is drawn into it. This is the disadvantage of the known inserts avoided, which consists in .that: coked fuel particles on the inner edge of the opening start and cause the central opening to gradually grow.

Die an erster und zweiter Stelle genannte Aufgabe wird an einer Vorkammer der vorstehend beschriebenen Art gemäß der Zusatzerfindung dadurch gelöst, daß auf den durch die Außenwand und die Wandung der Mittelöffnung ,des Einsatzes gebildeten, dem Zylinderraum zugekehrten ringförmigen Einlauf ein mittleres Stück von gleichbleibendem Querschnitt und ein diffusorartiger Auslauf folgt, dessen Erweiterungswinkel kleiner als 8° ist. Hierdurch wird bei gegebenem Drosselzustand eine denkbar verlustfreie Strömung beim Verdichtungshub erzielt.The task mentioned in the first and second positions is performed in an antechamber of the type described above according to the additional invention solved in that on the one formed by the outer wall and the wall of the central opening of the insert, the annular inlet facing the cylinder space a middle piece of constant Cross-section and a diffuser-like outlet follows, the angle of which is smaller than 8 °. As a result, with a given throttle condition, a conceivably loss-free one is achieved Flow achieved during the compression stroke.

Es sind bereits Vorkammereinsätze mit einer Bohrung vorgeschlagen worden, die einen ähnlichen Querschnittsverlauf aufweisen. Diese Einsätze können aber nicht die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben, da der in die Vorkammer eintretende Luftstrom nicht am Auftreffen auf den Brennstoffstrahl gehindert wird, was nur durch einen Einsatz möglich ist, dessen Hauptströmungsquerschnitte die eintretende Luft am Brennstoffstrahl vorbeileiten. Außerdem ist keiner der bekannten Veröffentlichungen die Lehre zu entnehmen, daß es vorteilhaft ist, einen gemäß den Gesetzen für die Gestaltung von Lavaldüsen ausgebildeten Einsatz zur Verminderung der Drosselverluste beim Verdichtungshub zu verwenden. Demzufolge weisen die bekannten Einsätze viel zu große Erweiterungswinkel auf, so daß sie nicht in der durch die Erfindung angestrebten vorteilhaften Weise wirksam werden können.Antechamber inserts with a bore have already been proposed which have a similar cross-sectional shape. These stakes can but do not have the advantageous effect of the device according to the invention, since the air flow entering the antechamber does not impinge on the fuel jet is prevented, which is only possible by an insert whose main flow cross-sections direct the incoming air past the fuel jet. Besides, none of the known ones Publications the teaching can be found that it is advantageous to use one according to the Laws for the design of Laval nozzles trained to reduce use to use the throttle losses on the compression stroke. As a result, the known Inserts too large extension angles so that they are not in the through Invention intended advantageous manner can be effective.

Die dritte Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß sich der vorkammerseitige Einlaufquerschnitt der Mittelöffnung etwa über das erste Drittel der gesamten Einsatzlänge erstreckt, worauf sich eine kegelige Erweiterung anschließt.The third object of the invention is achieved in that the antechamber side Inlet cross-section of the central opening approximately over the first third of the entire length of the insert extends, which is followed by a conical extension.

Die von Vorkammereinsätzen mit einer zentrischen Bohrung her bekannte allmähliche Verjüngung des vorkammerseitigen Einlaufes der Verbindungsöffnung zum Hauptverbrennungsraum kann hier keine Hinweise für die Erfindung geben, da .die Gefahr des Zuwachsens bei der dort vorhandenen Größe der Bohrung sowie des Fehlens eines zweiten Ouerschnittes, in den der austretende Gasstrahl ausweichen kann, und der hierdurch bedingten heftigen Strömung nicht vorhanden ist. Die bekannten Bauarten von Vorkammereinsätzen vermögen demnach keinen Anhaltspunkt für die der Erfindung zugrunde liegende Lehre zu geben, daß es bei einem aus einer verhältnismäßig engen Mittelbohrung und einem verhältnismäßig weiten, ringförmig um die Mittelbohrung angeordneten weiteren Querschnitt bestehenden Einsatz möglich ist, das Zuwachsen der Mittelbohrung zu verhindern, indem man an dem vorkammerseitigen Ende -der Mittelbohrung sich verjüngende, etwa ein Drittel der Gesamtlänge des Einsatzes einnehmende Einlaufkegel anordnet. Die dem Hauptverbrennungsraum zugewandte Auslaufform der äußeren Querschnitte unterstützt - obwohl sie eine Wandablösung nicht verhindert - .durch ihre bogenförmige Erweiterung im Verein mit der Schrägstellung der Stege die Verteilung der brennenden Gasstrahlen auf den Hauptverbrennungsraum.The one known from antechamber inserts with a central bore Gradual tapering of the inlet on the antechamber side of the connecting opening to the Main combustion chamber can not give any indications for the invention here, because .die Risk of growth given the size of the hole there and the lack of it a second cross section into which the exiting gas jet can escape, and the violent current caused by this is not present. The known types of antechamber inserts are therefore no indication of the invention underlying teaching to give that there is a relatively narrow Central hole and a relatively wide, ring-shaped around the central hole arranged further cross-section existing use is possible, the overgrowth to prevent the central bore by looking at the antechamber-side end of the central bore tapering inlet cones, about a third of the total length of the insert arranges. The outlet shape of the outer cross-sections facing the main combustion chamber supports - although it does not prevent the wall from being detached - through its arched shape Expansion in conjunction with the inclination of the webs the distribution of the burning Gas jets on the main combustion chamber.

In der Zeichnung ist,die Erfindung an einem die Hälfte der erfindungsgemäßen Vorkammer zeigenden Schnitt in vergrößerter Darstellung gezeigt.In the drawing, the invention is at one half of the invention Section showing the prechamber shown in an enlarged view.

In der Vorkammer i ist eine Einspritzdüse 3 angeordnet, welche in geschlossenem Strahl (Strahlwinkel etwa = o°) von fast zylindrischer Gestalt des Kernstrahles z und kegeliger Form des äußeren Streubereiches 4 Brennstoff in die Kammer einspritzt. An der Verbindungsstelle zwischen Vorkammer i und dem Hauptverfbrennungsraum 6 ist das Einsatzstück 7 angeordnet, welches in dem beispielsweise wassergekühlten Zylinderkopf 5 sitzt. Die Außenbegrenzung der Vorkammer i wird durch den Zylinderkopf 5 gebildet.In the prechamber i an injection nozzle 3 is arranged, which in closed beam (beam angle approximately = o °) of almost cylindrical shape of the Core jet z and conical shape of the outer scattering area 4 fuel in the Chamber injects. At the junction between antechamber i and the main combustion chamber 6, the insert 7 is arranged, which in the, for example, water-cooled Cylinder head 5 is seated. The outer boundary of the prechamber i is created by the cylinder head 5 formed.

Der Einsatz 7 weist eine mittlere Öffnung 9 und einen ringförmigen äußeren Durchtrittsquerschnitt i i äuf, der durch Stege 13 unterteilt ist. Die Stege 13 können in Längsrichtung des Einsatzes schräg, bogenförmig oder gerade verlaufen. Die Mittelöffnung 9 ist an ihrem vorkammerseitigen Ende mit einem sich stetig verjüngenden Einlauf 8 versehen, der sich etwa über, ein Drittel der Gesamtlänge erstreckt und dessen größter .Durchmesser etwa dem mittleren Durchmesser des Wandungsteiles io entspricht. Hierauf folgt eine kegelige Erweiterung 22, die in lern Hauptverbrennungsraum 6 ausmündet. Der äußere Ringquerschnitt besteht aus einem Einlaufteil12, das von einem Durchmesser ausgeht, der mindestens dem Außendurchmesser des Einsatzes entspricht. Die dem Hauptverbrennungsraum 6 zugewandte Außenbegrenzung 18 ist so ausgebildet, daß den aus der Vorkammer austretenden brennenden Gasstrahlen im Zusammenwirken mit der Kolbenoberseite eine Richtung gegeben wird, die mit ,dem Kolbenboden einen spitzen Winkel einschließt.The insert 7 has a central opening 9 and an annular outer passage cross section ii äuf which is divided by webs 13 . The webs 13 can run obliquely, arcuately or straight in the longitudinal direction of the insert. The central opening 9 is provided at its end on the antechamber side with a steadily tapering inlet 8 which extends approximately over a third of the total length and whose largest diameter corresponds approximately to the average diameter of the wall part io. This is followed by a conical widening 22, which opens into the main combustion chamber 6. The outer ring cross-section consists of an inlet part 12 which starts from a diameter which corresponds at least to the outer diameter of the insert. The outer boundary 18 facing the main combustion chamber 6 is designed in such a way that the burning gas jets emerging from the antechamber, in cooperation with the piston top, are given a direction which includes an acute angle with the piston crown.

An den Einlauf 12 schließt sich in Strömungsrichtung nach dem Vorkammerinneren eine Partie unveränderten Querschnittes 14 an, auf die eine diffusorartige Erweiterung 16 folgt. Der Erweiterungswinkel des Teilstückes 16 liegt unter 8°, so daß keine Ablösung von der Wand stattfindet. Die Mittellinie 2o des Teilstückes 16 verläuft schräg nach außen, so daß die in die Vorkammer eintretenden Luftströme von dem Streustrah14 weg an die Vorkammerwandung 21 gelenkt werden, wo sie sich wirbelfrei anlegen. Der Einsatz 7 besteht aus einem hochwarmfesten Werkstoff und ist mit einem den Wärmedurchgang hemmenden Luftspalt 15 in den Zylinderkopf 5 eingesetzt, so daß seine Temperatur während des Betriebes so hoch ansteigt, @daß es zur Brennstoffaufbereitung -kommt. Die Vorkammer i faßt etwa 5o % der Verbrennungsluftmenge, und! der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 9 und i i beträgt etwa io % des größten senkrecht zur Zylinderachse gemessenen Vorkammerquerschnitfies, wobei die Vorkammer birnenförmige Gestalt besitzt.The inlet 12 closes in the direction of flow towards the interior of the antechamber a portion of unchanged cross-section 14 to which a diffuser-like expansion 16 follows. The extension angle of the section 16 is less than 8 °, so that none Detachment from the wall takes place. The center line 2o of the section 16 runs obliquely outwards, so that the air flows entering the antechamber from the scattering jet14 be directed away to the antechamber wall 21, where they apply eddy-free. Of the Insert 7 consists of a highly heat-resistant material and is with a heat transfer restraining air gap 15 inserted into the cylinder head 5, so that its temperature rises so high during operation that fuel preparation occurs. The antechamber i holds about 50% of the amount of combustion air, and! the total cross-section the openings 9 and i i is about 10% of the largest perpendicular to the cylinder axis measured prechamber cross-section, the prechamber being pear-shaped.

Die Wirkungsweise ider beschriebenen Einrichtung ist folgende: Gegen Ende -des Verdichtungshubes wird mittels einer Einspritzdüse3 Brennstoff in .der beschriebenen Strahlform gegen, den Einlauf 8 zur Mittelöffnung 9 gespritzt, während die aus dem Hauptverbrennungsraum 6 verdrängte Luft im wesentlichen durch Iden äußeren Ringquerschnitt i i in die Vorkammer i eintritt und den Streustrahlkegel4 nur schwach an seiner Mantelfläche berührt. Der Gesamtquerschnitt ist im Verhältnis zur Mittelöffnung 9 so bemessen, daß beim Verdichtungshub durch die letztere keine wesentliche den Brennstoffstrahl aufspaltende Strömung entsteht. Durch .die erfindungsgemäße Formgebung des Ringquerschnittes i i werden die überschubverluste sehr klein, @da alle Querschnittsänderungen stetig auch unter Berücksichtigungder Querschnittverminderung durch die Rippen 13 verlaufen, da des weiteren der Einlauf 12 so ausgebildet ist, daß die Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit verlustfrei vor sich geht. Da endlich der Austritt in die Vorkammer i in einem diffusorartigen Querschnitt 16 erfolgt, ist gesichert, @daß die Rückgewinnung von Druck aus der Geschwindigkeitsenergie so vollkommen wie möglich geschieht. Der Querschnittsverlauf 16 geht ohne Richtungsänderung in die Vorkammerwände2i über und besitzt eine solche Richtung, daß eine wirbelfreie, an der Wandung 21 anliegende Luftströmung gewährleistet ist.The operation of the device described is as follows: Against At the end of the compression stroke, fuel is injected into the jet shape described against, the inlet 8 is sprayed to the central opening 9, while the air displaced from the main combustion chamber 6 essentially through the outer air Ring cross-section i i enters the antechamber i and the scattered ray cone4 only weakly touched on its lateral surface. The total cross-section is in relation to the central opening 9 dimensioned so that during the compression stroke by the latter no substantial the Fuel jet splitting flow is created. Due to the shaping according to the invention of the ring cross-section i i, the excess losses are very small, @ because all cross-section changes steadily also taking into account the reduction in cross-section due to the ribs 13 run, since furthermore the inlet 12 is designed so that the implementation of pressure is lossless in speed. Then finally the exit takes place in the antechamber i in a diffuser-like cross-section 16 is ensured, @ that the recovery of pressure from the velocity energy is as perfect as possible happens. The cross-sectional profile 16 goes into the without change of direction Antechamber walls 2i over and has such a direction that an eddy-free one the wall 21 adjacent air flow is guaranteed.

In der Nähe des oberen Totpunktes erfolgt die Zündung im Bereich des Streustrahles 4; es entsteht eine Drucksteigerung in der Kammer, welche den noch unverbrannten Brennstoff durch die Strömungswege 9 und i i in" ,den Hauptverbrennungsraum 6 treibt und dabei so zerstäubt und durch Berührung mit .dem heißen Einsatz 7 aufbereitet, daß eine- vollständige Verbrennung im Hauptverbrennungsraum 6 stattfinden kann: Der erweiterte Einlauf 8 zur Mittelbohrung 9 bewirkt dabei, daß, der Streustrahl'4 in die Mittelbohrung hineingezogen wird, wie die Zeichnung zeigt. Gleichzeitig entsteht eine heftige Strömung in der Mittelbohrung 9, welche durch die düsenförmige Erweiterung 22 begünstigt wird. Unterstützt wird die Verteilung der aus dem äußeren Ringquerschnitt i i strömenden Gasstrahlen auf den Hauptverbrennungsraumdurch eine schräge, bogenförmige Ausbildung der Stege 13, welche denselben einen zusätzlichen Drall verleihen.In the vicinity of the top dead center, the ignition takes place in the area of the Scattered beam 4; there is an increase in pressure in the chamber, which the unburned fuel through flow paths 9 and i i in ", the main combustion chamber 6 propels and thereby atomized and processed by contact with the hot insert 7, that complete combustion can take place in the main combustion chamber 6: The widened inlet 8 to the central bore 9 has the effect that 'the scattered beam'4 is pulled into the center hole, as the drawing shows. Simultaneously arises a violent flow in the central bore 9, which through the nozzle-shaped enlargement 22 is favored. The distribution of the from the outer ring cross-section is supported i i flowing gas jets onto the main combustion chamber through an inclined, arcuate one Formation of the webs 13, which give the same an additional twist.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE: i. Selbstzündende, luftverdichtende Brennkraftmaschine, bei der gegen Ende des Verdichtungshubes flüssiger Brennstoff in eine symmetrisch angeordnete, in ihrem .dem Zylinderraum zugewandten Teil mit einem Einsatzstück versehene Vorkammer eingespritzt wird und bei .der dieses Einsatzstück eine mittlere Öffnung sowie einen äußeren, ringförmig um die Mittelöffnung angeordneten Durchtrittsquerschnitt besitzt, wobei der eingespritzte Brennstoffstrahl zur Mittelöffnung hin gerichtet ist und mit seinem größten. Durchmesser ungefähr die Wandung der mittleren Öffnung berührt, bei. der ferner die Mittelöffnung des Einsatzstückes eine kleinere Ouerschnittsfläche aufweist als der ringförmige DurcIntrittsquerschnitt und die Wandung der Mittelöffnung im Querschnitt in der Weise tropfenförmig ausgebildet ist, daß sie sich in Richtung auf den Zylinderraum hin verjüngt, und außerdem die Begrenzungslinie der Außenwand des ringförmigen Durchtri.ttsquerschnittes etwa nach einer Hyperbel verläuft, die in die Brennraumwand .bzw. den Zylinderkopfboden übergeht, so daß der Hauptteil der vom Kolben verdichteten Luft ohne wesentlichen Widerstand -über .den ringförmigen Durchtrittsquerschnitt in die Vorkammer strömt, während .die durch die Mittelöffnung strömende Luft nur mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit auf .den Brennstoffstrahl auftrifft und daher eine Aufspafung desselben verhindert, nach Patent .942 950, -dadurch gekennzeichnet, daß auf den durch die Außenwand und die Wandung der Mittelöffnung (9) des Einsatzes (7) gebildeten, dem Zylinderraum (6) zugekehrten ringförmigen Einlauf (i2) ein mittleres Stück (r4) von gleichbleibendem Querschnitt und ein diffusorartigerAuslauf (z6) folgt, dessen Erweiterungswinkel kleiner als 8° ist. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch z, dadurch gekennzeichnet, idaB sich der vorkammerseitige Einlaufquerschnitt (8) :der Mittelöffnung (9) etwa über das erste Drittel der gesamten Einsatzlänge erstreckt, worauf sich eine kegelige Erweiterung anschließt. PATENT CLAIMS: i. Self-igniting, air-compressing internal combustion engine, in which, towards the end of the compression stroke, liquid fuel is injected into a symmetrically arranged prechamber which is provided with an insert in its .dem cylinder chamber facing part and in .der this insert has a central opening and an outer, annularly arranged around the central opening Has a passage cross-section, the injected fuel jet being directed towards the central opening and with its largest. Diameter roughly touches the wall of the central opening. which furthermore the central opening of the insert has a smaller cross-sectional area than the annular through-opening cross-section and the wall of the central opening is teardrop-shaped in cross-section in such a way that it tapers in the direction of the cylinder space, and also the boundary line of the outer wall of the annular through-opening runs roughly after a hyperbola that .bzw into the combustion chamber wall. passes over the bottom of the cylinder head, so that the main part of the air compressed by the piston flows without significant resistance -over .the annular passage cross-section into the prechamber, while .the air flowing through the central opening only hits the fuel jet at a relatively low speed and therefore a gap in it prevented, according to patent .942 950, characterized in that on the annular inlet (i2) formed by the outer wall and the wall of the central opening (9) of the insert (7) facing the cylinder space (6) a central piece (r4) of constant cross-section and a diffuser-like outlet (z6) follows, the widening angle of which is less than 8 °. z. Internal combustion engine according to claim z, characterized in that the inlet cross-section (8) on the antechamber side extends: the central opening (9) approximately over the first third of the entire length of the insert, followed by a conical widening.